استفاده از قطعات گرافیتی با پوشش TAC در کوره های کریستالی تک

کاربردقطعات گرافیتی با پوشش TaCدر کوره های تک کریستال

قسمت/1

در رشد تک بلورهای SiC و AlN با استفاده از روش انتقال بخار فیزیکی (PVT)، اجزای حیاتی مانند بوته، نگهدارنده دانه و حلقه راهنما نقش حیاتی دارند. همانطور که در شکل 2 [1] نشان داده شده است، در طول فرآیند PVT، کریستال بذر در منطقه دمای پایین تر قرار می گیرد، در حالی که مواد خام SiC در معرض دماهای بالاتر (بالای 2400 ℃) قرار می گیرند. این منجر به تجزیه مواد خام و تولید ترکیبات SiXCy (عمدتاً شامل Si، SiC2، Si2C و غیره) می شود. سپس مواد فاز بخار از منطقه با دمای بالا به کریستال بذر در منطقه با دمای پایین منتقل می‌شود و در نتیجه هسته‌های بذر، رشد کریستال و تولید تک بلورها ایجاد می‌شود. بنابراین، مواد میدان حرارتی مورد استفاده در این فرآیند، مانند بوته، حلقه هدایت جریان، و نگهدارنده کریستال بذر، نیاز به مقاومت در برابر دمای بالا بدون آلودگی مواد خام SiC و تک بلورها دارند. به طور مشابه، عناصر گرمایش مورد استفاده در رشد کریستال AlN باید در برابر بخار Al و خوردگی N2 مقاومت کنند، در حالی که دارای دمای یوتکتیک بالا (با AlN) برای کاهش زمان آماده‌سازی کریستال هستند.

مشاهده شده است که استفاده از مواد میدان حرارتی گرافیت با پوشش TaC برای تهیه SiC [2-5] و AlN [2-3] منجر به محصولات تمیزتر با حداقل کربن (اکسیژن، نیتروژن) و سایر ناخالصی ها می شود. این مواد عیوب لبه کمتر و مقاومت کمتری را در هر ناحیه نشان می دهند. علاوه بر این، چگالی ریز منافذ و حفره‌های اچینگ (پس از اچ کردن KOH) به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد که منجر به بهبود قابل توجهی در کیفیت کریستال می‌شود. علاوه بر این، بوته TaC کاهش وزن تقریباً صفر را نشان می دهد، ظاهری غیر مخرب را حفظ می کند و می تواند بازیافت شود (با طول عمر تا 200 ساعت)، بنابراین پایداری و کارایی فرآیندهای آماده سازی تک کریستال را افزایش می دهد.

شکل 2. (الف) نمودار شماتیک دستگاه رشد شمش تک کریستال SiC به روش PVT

(ب) براکت بذر با پوشش TaC بالا (از جمله دانه SiC)

(ج) حلقه راهنمای گرافیتی با پوشش TAC

گرم کن رشد لایه همپایه MOCVD GaN

قسمت/2

در زمینه MOCVD (رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی) رشد GaN، یک تکنیک حیاتی برای رشد همپایه بخار لایه‌های نازک از طریق واکنش‌های تجزیه آلی فلزی، هیتر نقش حیاتی در دستیابی به کنترل دقیق دما و یکنواختی در محفظه واکنش ایفا می‌کند. همانطور که در شکل 3 (الف) نشان داده شده است، بخاری جزء اصلی تجهیزات MOCVD در نظر گرفته می شود. توانایی آن در گرم کردن سریع و یکنواخت بستر در دوره های طولانی (از جمله سیکل های خنک کننده مکرر)، مقاومت در برابر دماهای بالا (مقاومت در برابر خوردگی گاز) و حفظ خلوص فیلم به طور مستقیم بر کیفیت رسوب لایه، قوام ضخامت و عملکرد تراشه تأثیر می گذارد.

برای تقویت عملکرد و بازده بازیافت بخاری در سیستم های رشد MOCVD GAN ، معرفی بخاری گرافیت با پوشش TAC موفقیت آمیز بوده است. متضاد با بخاری های معمولی که از پوشش های PBN (نیترید بور پیرولیتیک) استفاده می کنند ، لایه های اپیتاکسیال GAN رشد یافته با استفاده از بخاری های TAC ساختارهای کریستالی تقریباً یکسان ، یکنواختی ضخامت ، تشکیل نقص ذاتی ، دوپینگ ناخالصی و سطح آلودگی را نشان می دهند. علاوه بر این ، پوشش TAC مقاومت کم و انتشار سطح پایین را نشان می دهد ، و در نتیجه باعث بهبود راندمان و یکنواختی بخاری می شود و از این طریق باعث کاهش مصرف انرژی و کاهش گرما می شود. با کنترل پارامترهای فرآیند ، تخلخل پوشش را می توان تنظیم کرد تا بیشتر خصوصیات تابش بخاری را تقویت کرده و طول عمر آن را افزایش دهد [5]. این مزایا بخاری گرافیتی با پوشش TAC را به عنوان یک انتخاب عالی برای سیستم های رشد GAN MOCVD ایجاد می کند.

شکل 3. (الف) نمودار شماتیک دستگاه MOCVD برای رشد اپیتاکسیال GaN

(ب) بخاری گرافیتی با پوشش TAC قالب‌گیری شده نصب شده در راه‌اندازی MOCVD، به استثنای پایه و براکت (تصویر پایه و براکت را در گرمایش نشان می‌دهد)

(ج) بخاری گرافیت با پوشش TAC پس از 17 رشد اپیتاکسیال GAN. 

گیرنده پوشش دار برای اپیتاکسی (حامل ویفر)

قسمت/3

حامل ویفر، یک جزء ساختاری حیاتی که در تهیه ویفرهای نیمه هادی کلاس سوم مانند SiC، AlN و GaN استفاده می شود، نقشی حیاتی در فرآیندهای رشد ویفر همپایه ایفا می کند. به طور معمول از گرافیت ساخته شده است، حامل ویفر با SiC پوشش داده می شود تا در برابر خوردگی گازهای فرآیند در محدوده دمایی اپیتاکسیال 1100 تا 1600 درجه سانتیگراد مقاومت کند. مقاومت در برابر خوردگی پوشش محافظ به طور قابل توجهی بر طول عمر حامل ویفر تأثیر می گذارد. نتایج تجربی نشان داده است که TaC در مواجهه با آمونیاک با دمای بالا، سرعت خوردگی تقریباً 6 برابر کندتر از SiC نشان می‌دهد. در محیط های هیدروژنی با دمای بالا، نرخ خوردگی TaC حتی بیش از 10 برابر کندتر از SiC است.

شواهد تجربی نشان داده اند که سینی های پوشش داده شده با TaC سازگاری بسیار خوبی را در فرآیند GaN MOCVD نور آبی بدون وارد کردن ناخالصی از خود نشان می دهند. با تنظیمات محدود فرآیند، LED هایی که با استفاده از حامل های TaC رشد می کنند، عملکرد و یکنواختی قابل مقایسه ای را با آن هایی که با استفاده از حامل های SiC معمولی رشد می کنند، نشان می دهند. در نتیجه، طول عمر حامل های ویفر با پوشش TaC از حامل های گرافیتی بدون پوشش و پوشش داده شده با SiC فراتر می رود.

شکل سینی ویفر پس از استفاده در دستگاه MOCVD رشد یافته Gan Epitaxial (Veeco P75). یکی در سمت چپ با TAC پوشانده شده است و یکی در سمت راست با SIC پوشانده شده است.

روش آماده سازی مشترکقطعات گرافیتی پوشش داده شده TAC

قسمت/1

روش CVD (رسوب بخار شیمیایی) روش:

در دمای 900-2300 درجه سانتیگراد، با استفاده از TaCl5 و CnHm به عنوان منابع تانتالیوم و کربن، H2 به عنوان اتمسفر کاهنده، Ar2 به عنوان گاز حامل، فیلم رسوب واکنش. پوشش تهیه شده فشرده، یکنواخت و با خلوص بالا است. با این حال، مشکلاتی مانند فرآیند پیچیده، هزینه گران، کنترل دشوار جریان هوا و راندمان کم رسوب وجود دارد.

قسمت/2

روش پخت دوغاب:

دوغاب حاوی منبع کربن، منبع تانتالیوم، پخش کننده و بایندر روی گرافیت پوشانده شده و پس از خشک شدن در دمای بالا پخته می شود. پوشش آماده شده بدون جهت گیری منظم رشد می کند، هزینه پایینی دارد و برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب است. برای دستیابی به پوشش یکنواخت و کامل بر روی گرافیت بزرگ، از بین بردن عیوب پشتیبانی و افزایش نیروی پیوند پوشش، باید مورد بررسی قرار گیرد.

قسمت/3

روش پاشش پلاسما:

پودر TaC توسط قوس پلاسما در دمای بالا ذوب می شود، توسط جت با سرعت بالا به قطرات با دمای بالا اتمیزه می شود و بر روی سطح مواد گرافیت اسپری می شود. تشکیل لایه اکسیدی در زیر خلاء آسان است و مصرف انرژی زیاد است.

قطعات گرافیتی با پوشش TAC باید حل شوند

قسمت/1

نیروی اتصال:

ضریب انبساط حرارتی و سایر خواص فیزیکی بین TaC و مواد کربنی متفاوت است، استحکام پیوند پوشش کم است، جلوگیری از ترک، منافذ و تنش حرارتی دشوار است، و لایه برداری به راحتی در اتمسفر واقعی حاوی پوسیدگی و پوسیدگی است. فرآيند بالا رفتن و خنك كردن مكرر

قسمت/2

خلوص:

پوشش TAC برای جلوگیری از ناخالصی ها و آلودگی ها در شرایط دمای بالا ، باید خلوص فوق العاده ای داشته باشد و استانداردهای مؤثر محتوای و استانداردهای توصیف کربن آزاد و ناخالصی های ذاتی روی سطح و در داخل پوشش کامل باید مورد توافق قرار گیرد.

قسمت/3

ثبات:

مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت به جو شیمیایی بالاتر از 2300 ℃ مهمترین شاخص ها برای آزمایش پایداری پوشش هستند. سوراخ ها ، ترک ها ، گوشه های گمشده و مرزهای دانه تک جهت یابی به راحتی باعث نفوذ گازهای خورنده و نفوذ به گرافیت می شوند و در نتیجه خرابی محافظت از پوشش می شوند.

قسمت/4

مقاومت اکسیداسیون:

TaC زمانی که بالاتر از 500 درجه سانتیگراد است شروع به اکسید شدن به Ta2O5 می کند و با افزایش دما و غلظت اکسیژن سرعت اکسیداسیون به شدت افزایش می یابد. اکسیداسیون سطحی از مرز دانه ها و دانه های ریز شروع می شود و به تدریج بلورهای ستونی و کریستال های شکسته را تشکیل می دهد و در نتیجه تعداد زیادی شکاف و سوراخ ایجاد می شود و نفوذ اکسیژن تا زمانی که روکش کنده شود تشدید می شود. لایه اکسید به دست آمده دارای رسانایی حرارتی ضعیف و رنگ های متنوعی در ظاهر است.

قسمت/5

یکنواختی و ناهمواری:

توزیع ناهموار سطح پوشش می تواند منجر به تمرکز تنش حرارتی موضعی شود و خطر ترک خوردن و پوسته شدن را افزایش دهد. علاوه بر این، زبری سطح به طور مستقیم بر تعامل بین پوشش و محیط خارجی تأثیر می گذارد و زبری زیاد به راحتی منجر به افزایش اصطکاک با ویفر و میدان حرارتی ناهموار می شود.

قسمت/6

اندازه دانه:

اندازه دانه یکنواخت به پایداری پوشش کمک می کند. اگر اندازه دانه کوچک باشد، پیوند محکم نیست و به راحتی اکسیده و خورده می شود و در نتیجه تعداد زیادی ترک و سوراخ در لبه دانه ایجاد می شود که عملکرد محافظتی پوشش را کاهش می دهد. اگر اندازه دانه خیلی بزرگ باشد، نسبتا زبر است و پوشش به راحتی تحت تنش حرارتی پوسته پوسته می شود.

نتیجه گیری و چشم انداز

به طور کلی ،قطعات گرافیتی پوشش داده شده TACدر بازار تقاضای زیادی دارد و طیف گسترده ای از چشم انداز برنامه ها ، فعلیقطعات گرافیتی پوشش داده شده TACجریان اصلی ساخت تکیه بر اجزای CVD TAC است. با این حال ، به دلیل هزینه بالای تجهیزات تولید CVD TAC و راندمان رسوب محدود ، مواد گرافیتی با پوشش سنتی SIC به طور کامل جایگزین نشده است. روش پخت و پز می تواند به طور موثری هزینه مواد اولیه را کاهش دهد و می تواند با اشکال پیچیده قطعات گرافیتی سازگار شود ، به گونه ای که نیازهای سناریوهای مختلف کاربردی را برآورده می کند.